机械原理 平面连杆机构及设计.ppt

第二章 平面连杆机构 及其设计 主要内容 2.1 2.1 平面四杆机构基本形式、演变及其应平面四杆机构基本形式、演变及其应 用用 2.2 2.2 平面四杆机构设计中的共性问题平面四杆机构设计中的共性问题 2.3 2.3 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 若干个构件全用低副低副联接而成的机构，也 称之为低副机构低副机构。 一、 连杆机构连杆机构 二、连杆机构的分类二、连杆机构的分类 1、根据构件之间的相对运动分为 ： 平面连杆机构平面连杆机构 空间连杆机构空间连杆机构 2 2、根据机构中构件数目分、根据机构中构件数目分 四杆机构四杆机构、五杆机构五杆机构、六杆机构六杆机构、 四杆机构 六杆机构 三、平面连杆机构的特点 n适用于传递较大的动力，常用于动力机械 n依靠运动副元素的几何形面保持构件间的相互接触，且 易于制造，易于保证所要求的制造精度 n能够实现多种运动轨迹曲线和运动规律，工程上常用来 作为直接完成某种轨迹要求的执行机构 不足之处： n不宜于传递高速运动 n可能产生较大的运动累积误差 机械手机械手 四、平面连杆机构的应用 举升 汽车中那些部位用到连杆机构 飞机起落架 火车头火车头 内燃机内燃机 起重装置 矿山矿山颚式碎矿机颚式碎矿机 将大石头压成小石头将大石头压成小石头 机器马机器马 机架 连架杆连架杆 连架杆连架杆 连杆 在连架杆连架杆中，能绕其 轴线回转360者称为曲曲 柄柄；仅能绕其轴线往复 摆动者称为摇杆摇杆。 一、平面四杆机构的基本形式 1）曲柄摇杆机构：一个连架杆为曲柄，另一个为摇杆。 2）双曲柄机构：两连架杆均为曲柄。 3）双摇杆机构：两连架杆均为摇杆。 2-1 平面四杆机构的基本形式、演变及其应用 4 1 1 2 2 3 3 1、转动副转化为移动副 二、平面四杆机构的演变 4 1 1 2 2 3 3 4 1 1 2 2 3 3 曲柄滑块机构 铰链四杆机构 2) 对心对心曲柄滑块机构 1) 偏置偏置曲柄滑块机构 e e A A B B C C 3 3 2 2 1 1 A A B B C C 3 3 2 2 1 1 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 2 2 s s 2 2 A A B B 1 1 正弦机构 曲柄移动导杆机构 1 1 B B C C 3 3 A A 3 3 2、取不同构件为机架（机构倒置） 1）铰链四杆机构的倒置 直动滑杆直动滑杆机构 （定块定块机构） 曲柄摇块摇块机构 2）单滑块机构的倒置 曲柄滑块机构曲柄转动导杆转动导杆机构 自卸卡车翻斗机构及其运动简图自卸卡车翻斗机构及其运动简图 摇块机构广泛应用于摆动式内燃机和液压驱动装置内 。如图所示自卸卡车翻斗机构及其运动简图。在该机构中， 因为液压油缸3绕铰链C摆动，故称为摇块。 抽水唧筒机构抽水唧筒机构 直动滑杆机构 曲柄摆动导杆机构及应用 3）其他机构的倒置 ? ? 3、扩大转动副 将转动副B加大，直至把 转动副A包括进去，成为 几何中心是B，转动中心 为A的偏心圆盘。 2-2 平面四杆机构设计中的共性问题 一、平面四杆机构有曲柄有曲柄的条件 二、平面四杆机构输出件的急回特性急回特性 三、平面机构的压力角压力角和传动角传动角、死点死点 四、运动的连续性 B DA C 1 2 3 4 a b c d B2B2 A A C C B1B1 D D EE FF G G F F E E GG d+ad+a |d-a|d-a| |b-c|b-c| b+cb+c 一、平面四杆机构有曲柄有曲柄的条件 为什么关注有 曲柄条件？ 欲使连架杆AB成为曲柄，则必须使AB通过 与机架共线的两个位置， 三角形 任意两边之和必大于第三边 任意两边之差小于第三边 即必须满足 a+d b+c (2-1) |d-a| |b-c| (2-2) 欲使连架杆AB成为曲柄，则必须使AB通过 与机架共线的两个位置，即必须满足 a+db+c (1) |d-a|b-c| (2) ab ac ad 从而可得 (1) 若da，则可得 a+bc+d (若bc) a+cb+d (若cb) a+db+c 结论（平面铰链四杆机构有曲柄的条件）： 1）连架杆连架杆与机架机架中必有一杆为四杆机构中的最短杆 最短杆； 2）最短杆最短杆与最长杆最长杆之和应 其余两杆其余两杆的杆长之和 。（杆长和条件杆长和条件） (2) 若da 则可得 1、若满足杆长和条件满足杆长和条件： u 以最短杆的相邻构件为机架，则最短杆为曲柄，另一连 架杆为摇杆，即该机构为曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构； u 以最短杆为机架，则两连架杆为曲柄，该机构为双曲柄双曲柄 机构机构； u 以最短杆的对边构件为机架，则无曲柄存在，即该机构 为双摇杆机构双摇杆机构。 2、若不满足杆长和条件不满足杆长和条件，该机构是双摇杆机构双摇杆机构。 注意：铰链四杆机构必须满足四构件组成的封闭多边形条件封闭多边形条件 ：最长杆的杆长 t t 2 2 问问: : 是否 存在无无急 回特性的 四杆机构 ? = v2 / v1 =（C1C2 / t2 ）/ （ C1C2 / t1 ） = t1 / t2 = 1 / 2 = ( 180( 180+ ) / ( 180-) / ( 180- ) ) 输出件空回行程的平均速度 输出件工作行程的平均速度 k k = = 180 180（k-1k-1）/ /（k+1k+1） 行程速度变化系数 连杆机构输出件具有急回特性的条件：连杆机构输出件具有急回特性的条件： 1 1）原动件原动件等角速整周转动等角速整周转动 2 2）输出件输出件具有正、反行程的具有正、反行程的往复运动往复运动 3 3）极位夹角极位夹角 0 0 C C2 2 C2 B B1 C1 B2 C 曲柄滑块机构问 问: : 是否 存在无急无急 回特性回特性的 曲柄滑块 机构? A C C1 1 B B2 2 B B1 1 B B C C A A A B1 D C B2 = 导杆机构的急回 问问: : 是否存在无急回无急回 特性特性的导杆机构? F1 = Fcos F2 = Fsin A B C D F vc F1 F2 1、机构压力角机构压力角:在不计摩擦力、惯性力和重力的条 件下，机构中驱使输出件运动的力的方向线输出件运动的力的方向线与输出 件上受力点的速度方向速度方向间所夹的锐角锐角，称为机构压压 力角力角，通常用表示。 三、平面机构的压力角 和传动角、死点 传动角：压力角的余角。 机构的传动角和压力角作出如下规定： min；= 3060； max。 、分别为许用传动角和许用压力角。 vc A B C D F F1 F2 通常用表示. F v F A B C 1 2 3 vB3 F vB3 A B C 1 2 3 = 0 = 90 n n vB3 F A B C 2 3 1 vF = arccosb2+c2-d2-a2+2adcos/2bc. = 0, min= arccosb2+c2-(d-a)2/2bc B C min F2 A B C D F vcF1 a b c d F Vc = 或 = 180- B C max = 180, max= arccosb2+c2-(d+a)2/2bc min=min , 180-maxmin 2、最小传动角的确定 B A B C C e ab min= =arccos（ a+e)/b 为提高机械传动效率，应使其最小传动角处于工 作阻力较小的空回行程中。 cos=（asin +e)/b a b B B A C B C C min 在不计构件的重力、惯性力和运动副中的摩擦阻 力的条件下，当机构处于传动角=0（=90）的 位置下，无论给机构主动件的驱动力或驱动力矩有多 大，均不能使机构运动，这个位置称为机构的死点位死点位 置置。 F1 = Fcos F2 = Fsin D A B C F v B F D A C v 3、机构的死点位置 连杆机构的运动连续性：指该机构在运动中能够连续 实现给定的各个位置。 错位不连续：在左图中，当曲柄转动时，摇杆不可能从CD位置转到CD位 置，把连杆机构的这种运动不连续称为错位不连续。即：不可能要求从动 件在两个不连通的可行域可行域内（C1DC2，C1DC2）连续运动。 错序不连续：在右图中，要求连杆依次占据B1C1、B2C2、B3C3，当AB沿逆时 针转动可以满足要求，但沿顺时针转动，则不能满足连杆预期的次序要求 ，把机构的这种运动不连续问题称为错序不连续。 A (B)B C C1 C2 C1 C C2 1 2 D B1 B3 B2 C1C3 C2 A D 四、运动的连续性 可行域：可行域：当曲柄AB连续转动时 ，摇杆CD可以在其摆角或 范围内往复摆动，称此两个范 围为机构的可行域。 四杆机构的设计合理性判据? 机构类型与有曲柄 急回特性原则急回特性原则 最大压力角原则最大压力角原则 注意”死点” 连续性问题 23 23 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 一、基本问题一、基本问题 根据机构所提出的运动条件，确定机构的 运动学尺寸，画出机构运动简图。 根据根据给定的运动规律给定的运动规律（位移、速度和加速（位移、速度和加速 度）设计四杆机构度）设计四杆机构 根据根据给定的运动轨迹给定的运动轨迹设计四杆机构设计四杆机构 综合综合功能功能 1 1）实现刚体的给定位置）实现刚体的给定位置 举例： 自动送机构 翻转机构 A0A0 A1A1 B1B1 B0B0B3B3 A3A3 A2A2 B2B2 E2E2 E1E1 E3E3 2 2 1 1 自动送料机构自动送料机构 翻转机构 已知：已知：2 2个位置个位置B1-C1B1-C1 、B2-C2B2-C2，及铰链，及铰链 安装平面安装平面ADAD 2 2）实现预定运动规律的设计）实现预定运动规律的设计 汽车雨刮 实现输出构件的急回特性 实现两连架杆的对应角位移、角 速度和角加速度 3 3）实现预定运动轨迹的设计）实现预定运动轨迹的设计 演示软件 4) 4) 实现综合功能实现综合功能 实现连杆位置实现连杆位置:上、剪 下比须连续通过确定 位置 实现轨迹实现轨迹：刀刃按一 定轨迹运动 实现速度要求实现速度要求：在剪 切区的水平速度有要 求 二、平面四杆机构的设计二、平面四杆机构的设计 设计方法 几何法 解析法 实验法 1、给定连杆位置连杆位置设计四杆机构 A A D D B B2 2 C C2 2 B B3 3 C C3 3 B B1 1 C C1 1 2、给定行程速度变化系数行程速度变化系数设计四杆机构 铰链四杆机构-设计过程 曲柄滑块机构-设计过程 导杆机构-设计过程 B1B1 AB=(AC2-AC1)/2 BC=(AC1+AC2)/2 AC1=BC-AB AC2=BC+AB 确定比例尺 C1C1 D D C2C2 B2B2 O O 9090 - - 9090 - - 铰链四杆机构-设计过程 A A 步骤：步骤： 已知：C1 、C2位置（行程H），K,e A C1 B1 B2 B C o e C2 900- 900- 曲柄滑块机构-设计过程 确定比例尺ml 画出C1、C2及